Fabriquer et ajuster les composants de chaudières et de récipients sous pression

Introduction au module de fabrication

Ce chapitre couvre l'ensemble des opérations de fabrication et d'ajustage des composants de chaudières et de récipients sous pression, telles qu'évaluées lors de l'examen Sceau rouge. Vous devez maîtriser les techniques de traçage, de coupe, de formage, d'assemblage et de vérification dimensionnelle, tout en appliquant les exigences du Code ASME, Section VIII, Division 1 (pour les récipients sous pression) et du Code ASME, Section I (pour les chaudières). Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V, s'applique aux aspects électriques connexes, mais ne sera pas détaillé ici.

La fabrication d'un récipient sous pression exige une précision dimensionnelle de l'ordre de ±1,5 mm sur les diamètres, et un alignement des joints de ±2 mm. Toute déviation peut compromettre l'intégrité structurelle et l'étanchéité sous pression.

2. Lecture de plans et traçage

2.1 Interprétation des dessins de fabrication

Le dessin de fabrication (ou plan d'atelier) contient toutes les informations nécessaires : dimensions, tolérances, matériaux, procédés de soudage, traitement thermique, et exigences d'examen non destructif (END). Vous devez identifier :

La vue en plan et les coupes (longitudinale, transversale)

Les cotes de référence (lignes de centre, axes neutres)

Les symboles de soudage selon la norme CSA W59 (soudage des structures en acier) ou ASME IX (qualification des soudeurs)

Les tolérances géométriques (planéité, circularité, perpendicularité)

2.2 Traçage des développés

Le traçage est l'opération qui consiste à reporter sur la tôle les dimensions réelles des pièces à découper. Pour un cylindre, le développé est un rectangle dont :

Largeur = circonférence extérieure = π × D_ext

Longueur = hauteur du cylindre

Exemple de calcul : Pour un cylindre de diamètre extérieur 1 200 mm :

Circonférence = π × 1 200 = 3 769,9 mm

Ajouter la marge d'usinage (généralement 3 à 6 mm pour le chanfreinage des bords)

Pour un fond bombé (type ASME F&D – Flanged and Dished), le développé est plus complexe. On utilise la formule simplifiée :

Développé = D_ext + (2 × hauteur de bord droit) + (0,5 × rayon de carre)

Tableau 1 – Marges de traçage typiques

Opération	Marge (mm)
Coupe oxyacétylénique	3 à 5
Coupe plasma	2 à 4
Chanfreinage (préparation de soudure)	3 à 6
Formage à froid	1 à 2 % du diamètre
Formage à chaud	2 à 3 % du diamètre

2.3 Instruments de traçage

Trusquin : pour tracer des lignes parallèles à un bord

Compas à pointes sèches : pour reporter des rayons

Niveau à bulle et équerre de précision : pour vérifier la perpendicularité

Mètre ruban calibré : pour les grandes dimensions (vérifier la certification annuelle)

Piège d'examen : Le traçage doit toujours se faire à partir de la surface neutre (axe de la tôle) pour les pièces formées, et non à partir de la surface extérieure, car l'épaisseur affecte le développement.

3. Coupe et préparation des bords

3.1 Procédés de coupe

Le choix du procédé dépend de l'épaisseur, du matériau et de la précision requise.

Procédé	Épaisseur (mm)	Précision	Vitesse	Coût
Cisaillage	1 à 25	±0,5 mm	Élevée	Faible
Oxycoupage	6 à 300	±1,5 mm	Moyenne	Moyen
Plasma	1 à 50	±0,8 mm	Élevée	Moyen
Laser	0,5 à 25	±0,1 mm	Très élevée	Élevé
Jet d'eau	1 à 150	±0,3 mm	Moyenne	Élevé

Règle ASME : Après coupe thermique (oxycoupage, plasma), une zone affectée thermiquement (ZAT) se forme. Pour les aciers au carbone de plus de 25 mm d'épaisseur, un meulage ou un usinage de 1,5 mm minimum est requis pour éliminer cette zone avant soudage.

3.2 Préparation des chanfreins

La préparation des bords (chanfrein) est essentielle pour obtenir une pénétration complète. Les types courants :

Chanfrein en V (simple ou double) : pour épaisseurs de 8 à 25 mm

Chanfrein en U : pour épaisseurs supérieures à 25 mm (réduit le volume de métal déposé)

Chanfrein en X : pour soudage double face sur fortes épaisseurs

Angles standards : L'angle total du chanfrein en V est de 60° ± 5° (30° ± 2,5° par côté). Le talon (root face) doit être de 1,5 à 2,5 mm.

Formule de calcul du volume de métal déposé (V) pour un chanfrein en V :

V = (b × h) + (h² × tan(α/2))

Où :

b = largeur du talon (mm)

h = épaisseur de la tôle (mm)

α = angle total du chanfrein (degrés)

Exemple : Épaisseur 20 mm, talon 2 mm, angle 60° :

V = (2 × 20) + (20² × tan(30°)) = 40 + (400 × 0,577) = 40 + 230,8 = 270,8 mm² par mètre de joint

3.3 Nettoyage des bords

Avant soudage, les bords doivent être exempts de :

Rouille, calamine, huile, graisse (nettoyage par brossage, dégraissage)

Humidité (préchauffage si requis)

Projections de coupe (meulage)

Exigence ASME : Les bords doivent être secs et propres sur une largeur minimale de 25 mm de chaque côté du joint.

4. Formage des tôles

4.1 Formage à froid vs à chaud

Critère	Formage à froid	Formage à chaud
Température	Ambiante	> 900 °C (acier au carbone)
Épaisseur max	40 mm (typique)	300 mm
Précision	±1 mm	±3 mm
Contraintes résiduelles	Élevées	Faibles
Coût	Faible	Élevé

Règle ASME Section VIII : Le formage à froid d'un acier au carbone dont la déformation dépasse 5 % nécessite un traitement thermique de détensionnement (stress relief) après formage, sauf si le matériau est utilisé à une température inférieure à 50 °C.

Calcul de la déformation (ε) lors du formage d'un cylindre :

ε = (e / (2 × R_moyen)) × 100 %

Où :

e = épaisseur de la tôle (mm)

R_moyen = rayon moyen du cylindre (mm)

Exemple : Tôle de 25 mm formée à un rayon moyen de 500 mm :

ε = (25 / (2 × 500)) × 100 = 2,5 %

Cette valeur étant inférieure à 5 %, aucun traitement thermique n'est requis.

4.2 Procédés de formage

Roulage (calandrage) : pour cylindres et cônes. Trois ou quatre rouleaux. Le roulage à 4 rouleaux permet un meilleur contrôle de l'ovalisation.

Pressage (pliage) : pour les sections coniques ou les fonds. Utilise une matrice et un poinçon.

Emboutissage : pour les fonds bombés. Réalisé à chaud ou à froid selon l'épaisseur.

Contrôle de l'ovalisation : L'ovalisation maximale admissible est de 1 % du diamètre intérieur (ASME Section VIII, UG-80). Pour un cylindre de 1 500 mm de diamètre, l'ovalisation ne doit pas dépasser 15 mm.

4.3 Formage des fonds bombés

Les fonds bombés (ASME F&D, elliptiques, hémisphériques) sont formés par emboutissage. Le rapport hauteur/diamètre détermine le type :

Type de fond	Rapport h/D	Utilisation
Hémisphérique	0,5	Haute pression
Elliptique 2:1	0,25	Usage général
ASME F&D	0,19	Basse pression
Plat	0	Fermeture simple

Exigence d'épaisseur minimale après formage : L'épaisseur au sommet du fond bombé ne doit pas être inférieure à 90 % de l'épaisseur nominale (ASME Section VIII, UG-81).

5. Assemblage et ajustage

5.1 Alignement des joints

L'alignement des tôles avant soudage est critique. Les tolérances d'alignement (mismatch) selon ASME Section VIII :

Épaisseur (mm)	Désalignement max (mm)
≤ 12	1,5
12 à 25	2,0
25 à 50	3,0
> 50	4,0

Méthode de mesure : Utiliser une règle droite de 300 mm et un comparateur. Mesurer à l'intérieur et à l'extérieur du joint.

5.2 Jeu de racine (root gap)

Le jeu de racine est l'espace entre les deux pièces à la base du chanfrein. Il doit être :

Soudage manuel (SMAW) : 2 à 3 mm

Soudage semi-automatique (GMAW/FCAW) : 1,5 à 2,5 mm

Soudage automatique (SAW) : 0 à 1 mm (avec plaque support)

Piège d'examen : Un jeu de racine trop grand (> 3 mm) provoque des soufflures et un manque de fusion à la racine. Un jeu trop petit (< 1 mm) empêche la pénétration complète.

5.3 Pointage (tack welding)

Le pointage maintient les pièces en position pendant le soudage. Exigences :

Longueur des points : 25 à 50 mm

Espacement : 150 à 300 mm

Qualité : même procédé que la soudure finale

Les points doivent être meulés si des fissures sont détectées

Règle ASME : Les points de soudure font partie intégrante de la soudure finale. Ils doivent être réalisés par des soudeurs qualifiés et être exempts de défauts.

5.4 Vérification de la circularité

Après assemblage, la circularité est vérifiée à l'aide d'un passe-partout ou d'un bras de mesure. La tolérance est de 1 % du diamètre intérieur pour les récipients sous pression (ASME UG-80).

Formule de l'ovalisation (O) :

O = (D_max − D_min) / D_nominal × 100 %

Où D_max et D_min sont les diamètres maximum et minimum mesurés.

Exemple : D_nominal = 2 000 mm, D_max = 2 015 mm, D_min = 1 990 mm :

O = (2 015 − 1 990) / 2 000 × 100 = 1,25 %

Cette valeur dépasse 1 %, le récipient doit être reformé ou rejeté.

6. Vérifications dimensionnelles et essais

6.1 Contrôle des dimensions finales

Les vérifications suivantes sont effectuées après soudage :

Hauteur totale : ± 3 mm sur les récipients verticaux

Perpendicularité : 1 mm par mètre de hauteur (max 10 mm)

Planéité des brides : ± 1 mm sur 300 mm

Alignement des tubulures : ± 2 mm par rapport au plan de référence

6.2 Contrôle de la concentricité

Pour les récipients à double enveloppe, la concentricité entre les deux cylindres doit être vérifiée. La tolérance est de ± 3 mm sur le jeu annulaire.

6.3 Essais de pression

Avant l'essai de pression, le récipient doit être complètement assemblé et tous les joints soudés. L'essai hydrostatique est réalisé à une pression :

P_essai = 1,3 × P_conception × (S_essai / S_conception)

Où :

P_conception = pression de conception (MPa)

S_essai = contrainte admissible à la température d'essai (MPa)

S_conception = contrainte admissible à la température de conception (MPa)

Exemple : P_conception = 1,5 MPa, S_essai = 138 MPa, S_conception = 120 MPa :

P_essai = 1,3 × 1,5 × (138 / 120) = 1,3 × 1,5 × 1,15 = 2,24 MPa

Durée de l'essai : Maintenir la pression pendant au moins 30 minutes pour les récipients, puis inspecter visuellement tous les joints.

7. Traitements thermiques après soudage

7.1 Détensionnement (stress relief)

Le détensionnement est requis lorsque :

L'épaisseur dépasse 32 mm (acier au carbone)

Le matériau est trempé et revenu

Les conditions de service exigent une résistance à la corrosion sous contrainte

Température de détensionnement : 600 à 650 °C pour les aciers au carbone. Maintien de 1 heure par 25 mm d'épaisseur (minimum 1 heure).

7.2 Préchauffage

Le préchauffage réduit la vitesse de refroidissement et prévient la fissuration à froid. Températures typiques :

Matériau	Épaisseur (mm)	Température de préchauffage
Acier au carbone	≤ 25	10 °C (minimum)
Acier au carbone	25 à 50	50 à 100 °C
Acier au carbone	> 50	100 à 150 °C
Acier faiblement allié	Toute	150 à 200 °C

Règle ASME : La température de préchauffage doit être vérifiée à 75 mm du joint, sur la face opposée à la source de chaleur.

8. Pièges à éviter

140.Confondre diamètre extérieur et intérieur dans les calculs de développé. Toujours utiliser le diamètre correspondant à la surface neutre.

141.Négliger la marge d'usinage lors du traçage. Une pièce trop courte ne peut pas être rallongée.

142.Oublier la règle des 5 % de déformation pour le formage à froid. Si la déformation dépasse 5 %, un traitement thermique est obligatoire.

143.Utiliser des tolérances d'alignement incorrectes. Les tolérances ASME sont plus strictes que les tolérances industrielles générales.

144.Ignorer l'effet du retrait de soudure. Le retrait longitudinal est de 1 mm par mètre, le retrait transversal de 1 à 2 mm par joint. Prévoir des surépaisseurs de 3 à 5 mm sur les longueurs.

145.Confondre ovalisation et excentricité. L'ovalisation est une déviation de la circularité, l'excentricité est un décalage des axes.

146.Ne pas vérifier la température de préchauffage à la bonne distance du joint (75 mm).

147.Oublier que les points de soudure font partie de la soudure finale et doivent être de qualité équivalente.

148.Utiliser un mètre ruban non calibré pour les mesures critiques. La calibration doit être vérifiée annuellement.

149.Ne pas tenir compte de la dilatation thermique lors de l'assemblage de grandes structures. Une variation de 10 °C sur 10 mètres provoque une dilatation de 1,2 mm.

9. Résumé

Le traçage est la base de toute fabrication. La précision du traçage détermine la qualité de l'assemblage final.

La coupe doit produire des bords propres, sans ZAT excessive pour les matériaux sensibles.

Le formage à froid est limité à 5 % de déformation sans traitement thermique.

L'alignement des joints doit respecter les tolérances ASME (1,5 à 4 mm selon l'épaisseur).

Le jeu de racine et l'angle du chanfrein sont critiques pour la pénétration complète.

L'ovalisation maximale est de 1 % du diamètre intérieur.

L'essai hydrostatique est réalisé à 1,3 fois la pression de conception, corrigée pour la température.

Le détensionnement est requis au-delà de 32 mm d'épaisseur pour les aciers au carbone.

Le préchauffage prévient la fissuration à froid et doit être vérifié à 75 mm du joint.

Les points de soudure sont partie intégrante de la soudure finale.

10. Questions d'auto-évaluation

164.Calculez le développé d'un cylindre de 1 500 mm de diamètre extérieur et de 3 m de hauteur, avec une marge d'usinage de 5 mm.

165.Un récipient de 2 500 mm de diamètre intérieur présente une ovalisation de 30 mm. Est-ce acceptable selon ASME Section VIII ?

166.Quelle est la température de détensionnement pour un acier au carbone de 40 mm d'épaisseur, et quelle est la durée minimale de maintien ?

167.Un chanfrein en V de 60° est préparé sur une tôle de 30 mm avec un talon de 2 mm. Calculez le volume de métal déposé par mètre de joint.

168.Quelles sont les tolérances d'alignement pour une tôle de 20 mm d'épaisseur ?

Réponses :

170.Développé = π × 1 500 + 5 = 4 712,4 + 5 = 4 717,4 mm

171.Ovalisation = 30 / 2 500 × 100 = 1,2 % > 1 % → Non acceptable

172.Température : 600 à 650 °C ; durée : 1 heure par 25 mm → 40 mm = 1,6 heure (arrondi à 2 heures)

173.V = (2 × 30) + (30² × tan(30°)) = 60 + (900 × 0,577) = 60 + 519,3 = 579,3 mm²/m

174.Pour 20 mm d'épaisseur : 2,0 mm maximum

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